Время-задержанная интерференция при нелинейных взаимодействиях света с веществом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПЕРЕХОДНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ.

1.1 Первые работы по когерентным нелинейным оптическим явлениям. Связьмагнитным резонансом.

1.2 УравненияМаксвелла-Блоха.11с.

1.3 Когерентная оптическаяектроскопия

1.4 Применения переходных оптических явлений.

1.4.1 Динамическая эхо-голография

1.4.2 Квантовые компьютеры . 15с.

1.4.3 Квантовая электроника

1.4.4 Фемтохимия

1.5 Исследование физических основ переходных оптических явлений.

1.5.1 "Внешние" причины.

1.5.2 "Внутренние"причины.

1.6 Интерференционные переходные когерентные пространственно -частотныеруктуры.

1.7Актуальность исследования.

1.8 Цель исследования. Защищаемые положения. Апробация.

ГЛАВА 2. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ РЕШЕТКИ В

РЕЗОНАНСНЫХ СРЕДАХ С ФАЗОВОЙ ПАМЯТЬЮ.

2.1 Физика формирования переходных решеток.

2.1.1 Физические основы. Интерференция Юнга-Френеля

2.1.2 Условия формирования переходных решеток.44 с

2.1.3 Элементы полуклассической теории переходных оптических явлений .45 с

2.1.4. Физические закономерности формирования переходных решеток (полуклассическая теория).52 <

2.1.5 Переходные решетки в неоднородно уширенных средах.

А) Двухуровневые среды

Б) Многоуровневые среды

2.2 Многоимпульсные режимы возбуждения среды.

2.2.1 Вопросы динамики многоволновых процессов .64 <

2.2.2 Сфазированные по пространству решетки

2.2.3 Решетки ультра малого пространственного периода.

А) Считывание решеток малого периода.

2.2.4 Кинетика возбуждения решеток ультра малого периода.

2.2.5 Решетки с нелинейным профилем

2.2.6 Формирование переходных решеток слабыми классическими световыми полями.

A) Многоимпульсные поля с фиксированной частотой

Б) Многоимпульсные поля с вариацией лазерной частоты.

B) Возбуждение некогерентными световыми полями.

2.3 Кинетика распада пространственно-частотных решеток.

2.3.1 Постановка задачи

2.3.2 Кинетические уравнения распада пространственно-частотных инверсионных (SF-) решеток.

2.3.3 Случай «нулевых» флуктуаций атомной плотности.

А) Сигнал мгновенной дифракции.

Б) Стимулированное световое эхо.

Выводы по Главе 2.

ГЛАВА 3. ДИНАМИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОЛНОВЫХ ПАКЕТОВ

В ПРОТЯЖЕННЫХ СРЕДАХ С ФАЗОВОЙ ПАМЯТЬЮ. 142 с

3.1. Волновой пакет поляризации.

3.2 Особенности генерации электромагнитных полей волновыми пакетами поляризации в условиях отклонения от волновогонхронизма.

3.2.1 Излучениеободных полей.

3.2.2 Электромагнитные поля, сопровождающие волновые пакеты поляризации

3.2.3 Излучение полей фазирующейся поляризацией заетществования веде пространственных неоднородностей

3.3 Импульсная «площадь»гналов эха.

3.4 Световое эхо в оптически толстыхедах.

3.4.1 Теорема «площадей» Мак-Колла и Хана в условиях сфазирования атомных колебаний

3.4.2 Первичноеетовое эхо в оптически толстойеде.

3.4.3 О применении теоремы «площадей» в эхо-спектроскопии.

А) Многокомпонентные среды. 186 с

Б) Импульсная «площадь» эха в резонаторах, тонкопленочных структурах. 187 с

Выводы по Главе 3.

ГЛАВА 4. ЭФФЕКТЫ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В НЕСТАЦИОНАРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ДВУХУРОВНЕВЫХ СИСТЕМ С ВНЕШНИМИ ПОЛЯМИ.

4.1 Нерезонансное поглощение энергии двухуровневым атомом. 191 с

4.1.1 Нерезонансная инверсия в классическом поле.

А) Нерезонансное поглощение полей непрямоугольной временной формы.

4.1.2 Физический анализ

4.1.3 Нерезонансная инверсия в квантованном одномодовом поле.

А) Внешнее включение поля.

Б) Нерезонансное возбуждение в разнесенных квантованных полях.

4.2. Взаимодействие фотонаатомами в резонаторе в условиях однородного и неоднородного уширения линии перехода.

4.2.1 Поглощение фотона в резонаторе

A) Уравнения движения.

Б) Поглощение фотона.

B) Спектр атомного возбуждения.

4.2.2 Задача о влетающем возбужденном атоме.

4.3. Мюонноеиновое эхо.

4.3.1 Основы мюоннойектроскопии.

4.3.2 Одноимулъсное мюонноеиновое эхо.

4.3.3 Мюонноеиновое эхо в нулевом магнитном поле.

A) ¡xSR-спектроскопия в нулевых магнитных полях.

Б) Мюонное эхо ватических локальных магнитных полях.

B) Мюонное эхо ватических и динамических локальных магнитных полях.

Выводы по Главе 4.

ГЛАВА 5. ВРЕМЯ-ЗАДЕРАЖАННАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ

ФОТОНОВ В СРЕДАХ С ФАЗОВОЙ ПАМЯТЬЮ. 252с. 5.1 Введение.

5.2 Время-задержанная интерференция фотона в двухуровневойеде

5.3 Время-задержанная интерференция и однофотонное эхо в трехуровневойеде.

5.3.1 Взаимодействие фотонасистемой трехуровневых атомов.

5.3.2 Однофотонное эхо.

Физический анализ.

5.4 Однофотонное модифицированноеимулированное эхо. Особенности детектирования.

5.4.1 Одночастичная голограмма.

5.4.2 Однофотонное модифицированноеимулированное эхо.

5.5 Квантовые эффекты релаксации в однофотонном эхо.

5.5.1 Малые времена наблюдения О-голограммы (I <Т.

5.5.2 Большие времена наблюдения (^Т^).

5.5.3 Эффекты редукции в однофотонном комбинированном эхо.

5.6 Двухфотонные состояния. Неклассические поляризационные свойства динамики двухфотонного эха.

5.6.1 Поляризованные двухфотонныестояния.

5.6.2 Двухфотонное модифицированноеимулированное эхо.

А) Ортогональная поляризация двух фотонов

Б) Перепутанноестояние поляризации фотонов.

Выводы по Главе 5.

Современная оптика базируется на использовании уникальных свойств лазерного излучения, среди которых когерентность является, по-видимому, наиболее значимой, именно она открывает богатые возможности в изучении фундаментальных законов в поведении света и материи. Настоящая диссертация посвящена развитию научного направления в когерентной, нелинейной и квантовой оптике, основные задачи которого состоят в изучении фундаментальных закономерностей формирования когерентных интерференционных явлений, которые благодаря фазовой памяти вещества могут реализовываться в наиболее общих физических условиях.

В процессе теоретического исследования указанной проблемы были определены и изучены физические условия, при которых интерференционные явления приобретают качественно новые и разнообразные свойства. Выявлены фундаментальные проявления интерференции, присущие нестационарным когерентным взаимодействиям света с веществом, когда в условиях фазовой памяти их квантовая природа и динамические свойства особенно ярко проявляются. Данное обстоятельство определило выбор базового объекта -переходных интерференционных «решеток» и когерентных волн поляризации, изучение свойств которых потребовало обобщения теории интерференции Юнга-Френеля на среды с фазовой памятью.

Проведенное в диссертации исследование показывает, что детальный анализ квантовых и нелинейных свойств когерентных интерференционных явлений открывает богатые возможности в изучении фундаментальных закономерностей нестационарных взаимодействий, которые охватывают как поведение отдельных микроскопических объектов, так и макроскопических квантовых систем. В первой главе, после обзора основных физических проблем современной оптики, более детально формулируются цели и задачи исследования, его основные результаты и защищаемые положения.

ГЛАВА 1. ПЕРЕХОДНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ.

Выводы по Главе 5

Таким образом, показана возможность формирования однофотонной время-задержанной интерференции света в резонансных средах с фазовой памятью в условиях, когда разность хода по двум путям оптического интерферометра превосходит пространственную «длину» фотона. Отметим, что это условие является наиболее общим для реализации интерференции фотонов в среде. В процессе формирования одно- и двухфотонной интерференции возникает долгоживущее перепутанное (entangled) квантовое состояние, содержащее суперпозицию двух физически различных макроскопических возбужденных квантовых состояний: коллективного возбуждения атомов и квантового состояния света. Следует отметить, что пространственная конфигурация этого делокализованного в пространстве возбуждения определяет параметры переходной интерференционной решетки в вероятности возбуждения, а при взаимодействии с трехуровневой системой - время появления, направление излучения и физические свойства однофотонного эха. Важно подчеркнуть, что физическая картина возникновения переходной решетки однофотонным полем приобретает новые черты, отличающие ее от полуклассической теории интерференции. Физическую картину появления переходной решетки уже не удается обосновать, используя фазовые соотношения между амплитудой поля и атомным диполем. Природа появления данной интерференции определяется строгим следствием квантовой суперпозиции состояний среды, возникающих в процессе взаимодействия фотона с атомами.

Развитая в главе теория однофотонной время-задержанной интерференции распространена на комбинированное фотонное эхо. Детальное изучение этого явления потребовало построения последовательной квантово электродинамической теории эхо-явлений, основанной на нахождении S(co,-oo)-матрицы рассеяния света. Эта теория позволила найти нестационарное квантовое состояние света нового типа, описывающее необычную динамику поведения поля и его интенсивности, которая имеет своим источником квантовую природу фотона. По этой причине такие однофотонные эхо-явления, как комбинированное и модифицированное стимулированное, имеют одинаковые квантовые свойства поля и возможны лишь в амплитуде, но не в интенсивности излучения.

Принципиальным следствием квантовой природы фотона является невозможность первичного светового эха в двухуройневой среде (см. подробнее Приложение 5). Предсказывается неклассический характер в кинетике спада однофотонного модифицированного стимулированного эха, обусловленного квантовыми эффектами редукции волновой функции, возникающими в процессе релаксации многоатомной системы. Постановка данного эксперимента позволила бы полутать важную информацию о механизмах появления необратимости в квантовой эволюции и уточнить интерпретацию смешанного состояния многочастичной квантовой системы.

Проявление квантовой природы света во время-задержанной интерференции распространено также на двухфотонные состояния, в том числе поляризационные состояния типа ЭПР-Бома, которые, как известно, обладают ярко выраженными квантовыми свойствами. Отметим, что изучение динамических свойств подобного рода состояний представляет собой актуальную задачу современной квантовой оптики, активно использующей квантовые свойства двухфотонных состояний. Для этих состояний света найдены новые квантовые свойства в динамике поведения поляризации сигналов эха (его амплитуды, интенсивности) и показано, как они могут отличаться от свойств однофотонного состояния света.

328

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Сформулируем основные результаты исследования. Данная диссертация посвящена изучению фундаментальных проявлений квантовой интерференции в когерентных переходных явлениях, сопровождающих взаимодействие излучения с резонансными системами. С этой целью был проведен комплексный теоретический анализ динамики поведения резонансных квантовых систем и макроскопических объектов. В процессе исследования были развиты новые методы, значимость которых, как представляется, выходит за пределы данной проблематики (Б-матричный подход в теории фотонного эха, метод теоремы «площадей» для эхо-сигналов). Применение этих методов позволило получить ряд принципиальных результатов: найти новый тип нестационарных квантовых состояний света, отличающихся необычной динамикой поведения их амплитуды и интенсивности; впервые получить аналитическое решение для «площади» сигнала эха в классической задаче о двухимпульсном фотонном эхо в оптически толстой среде.

Следует подчеркнуть, что характерной особенностью проведенных исследований является демонстрация большой роли квантовой интерференции состояний в выявлении принципиально новых свойств в поведении квантовых систем, на основе изучения которых были предсказаны следующие эффекты.

Возможность формирования в средах интерференционных пространственных решеток ультра малого периода, т.е. периода в десятки и даже сотни раз меньше, чем длина волны возбуждающего их света. Развита теория формирования и распада подобных решеток.

Выявлены физические закономерности нерезонансного поглощения света двухуровневыми системами.

Показана возможность формирования волновых пакетов поляризации в средах с фазовой памятью, видимая скорость перемещения которых не ограничивается скоростью света; теоретически изучены особенности излучения электромагнитного поля подобными образованиями (световыми «зайчиками»).

Теоретическое предсказание эффекта мюонного одноимпульсного спинового эха, в том числе в средах, находящихся в нулевых внешних магнитных полях. Экспериментальное обнаружение этого эффекта в совместной работе с коллегами из Резерфордовской лаборатории открывает принципиально новые возможности в развитии мюонной спектроскопии высокого разрешения.

Впервые построена квантовоэлектродинамическая теория время-задержанной интерференции фотона и однофотонного эха. Выявлены новые следствия квантовой природы фотона в данных интерференционных явлениях. Развитая теория распространена на изучение неклассической динамики время-задержанной интерференции двухфотонных состояний, нестационарных эффектов парадокса ЭПР в эхо-явлениях. Предложен эксперимент для изучения квантовой редукции в макроскопической квантовой системе, постановка которого позволила бы уточнить представления об интерпретации смешанного состояния квантовой системы.

Показано, что поиск и изучение проявлений квантовой интерференции , в поведении микроскопических объектов в наиболее общих физических условиях требует разработки более точных квантовых моделей макроскопических квантовых систем, таких как оптические детекторы фотонов. Наиболее перспективными по чувствительности средами-детекторами являются резонансные среды с фазовой памятью. Более полное изучение взаимодействия микрочастиц с такими средами является фундаментальной проблемой, значение которой выходит за рамки настоящей диссертации и потребует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

На протяжении многих лет работы над проблемами, обсуждаемыми в диссертации, автор сотрудничал с коллегами, выражение благодарности

347 которым считает своим приятным долгом. Благожелательное внимание проф. Е.И.Штыркова на протяжении всех этих лет и его помощь и сотрудничество в начале работы были очень важны. Настоящая работа стала возможной благодаря многолетней поддержке чл.-корр. РАН проф. К.М.Салихова, заведующего лабораторией физико-химических процессов, директора института, в котором выполнена данная работа. Обсуждения с К.М.Салиховым большей части полученных результатов на протяжении последних 10-ти лет оказали сильное стимулирующее воздействие.

Автор благодарен проф. А.Р.Кесселю и д.ф.-м.н. Н.М.Сулейманову за плодотворное научное сотрудничество.

Автор выражает благодарность акад. РАН Л.П.Питаевскому за внимание к работе и дискуссию, которая стимулировала исследования, посвященные изучению время-задержанной однофотонной интерференции.

Автор признателен профессорам Р.М.Аминовой, Н.Б.Делоне, С.Каленкову, С.Ф.Карягину, Д.Н.Клышко, А.В.Масалову, Д.И.Стаселько, С.Хартману за ценные дискуссии.

Автор признателен своим соавторам д.ф.-м.н. В.И.Цифриновичу, к.ф.-м.н. В.С.Лобкову, к.ф.-м.н. Н.Л.Невельской, аспиранту М.И.Носкову за сотрудничество на отдельных этапах работы, а также всем сотрудникам лаборатории физико-химических процессов.

1. Torrey Н.С. Transient nutations in nuclear magnetic resonance //Phys.Rev., 1949,V.76,N 9, pp. 1059-1069.

2. Hahn E.L. Spin echo //Phys.Rev.-1950. Vol 77., N.5. P.746;Vol.80, N.4. P.580-594.

3. Копвиллем У.Х., Нагибаров B.P. Световое эхо на парамагнитных кристаллах. // Физика металлов и металловедение.-1963.No.2,c.313.

4. Kurnit N.A.,Abella I.D.,Hartmann S.R. Observation of a photon echo// Phys.Rev. Lett. 1964 .No 19, p.567-570; Photon echo // Phys.Rev. 1966.Vol. 144.No.l. P.391-411.

5. McCall S.L., Hahn E.L. Self-induced transparency // Phys.Rev.1969, vol, 183,N.2, p.457-486.

6. Brewer R.G.,Shoemaker R.L. Photon echo and optical nutation in molecules. // Phys.Rev.Lett.l971.V.27.N.6,P.631-634.

7. Dicke R.H.Coherence in Spontaneous Radiation Processes.// Phys.Rev. 1954. V.93JP.1-12.7a. Skribanowitz N., et. al. Observation of Dicke superradiance in optically pumped HF gas // Phys.Rev.Lett. 1973. Vol.30.N.8, pp.309-312.

8. Eichler H., Kluzewski B. Laser-Induced Interference Gratings //Z. Angew Phys. 1969.V. 10.No. 9, pp.4-12.

9. Штырков Е.И. Рассеяние света на периодической структуре из возбужденных и невозбужденных атомов //Письма в ЖЭТФ. 1970. Т.12, № 3, С.134-137.

10. Степанов Б.Н., Ивакин Е.В., Рубанов А.С.//ДАН СССР. 1971. Т.196. №З.С.567.

11. Александров Е.Б., Хвостенко Г.И.,Чайка М.П. Интерференция атомных состояний.-М.: Наука. Д991.-256 с.

12. Материалы 1 Всесоюзного симпозиума по световому эху //Изв. АН СССР. 1973 Сер. физ. Сс.2010-2248.

13. Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровневые атомы: Пер. с англ. / Под ред. В.Л.Стрюкевского В.Л. -М.:Мир, 1978. -222 с.

14. Летохов В.П.,Чеботаев В.П. Принципы нелинейной спектроскопии. -М.:НаукаД975. -243 с.

15. Макомбер Дж. Динамика спектроскопических переходов.-М.: МирД979. -250 с.

16. Нелинейная спектроскопии./Под ред. Н.Бломбергена- М.: Мир, 1979. -420 с.

17. Ахманов А.С.Доротеев Н.И. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света, Активная спектроскопия рассеяния света М.Наука, 1981 545 с.

18. Маныкин Э.А., Самарцев В.В., Оптическая эхо-спектроскопия. -М.: Наука, 1984-210 с.

19. Eichler H.J., Gunter P.,Pohl D.M. Laser-Induced Dynamic Gratings. Berlin: Springer-Verlag, 1986.Vol.50. 256 p.

20. Набойкин Ю.В., Самарцев В .В., Зиновьев П.В., Силаева Н.Б. Когерентная спектроскопия молекулярных кристаллов. Киев.: Наукова думка, 1986.

21. Спектроскопия и динамика возбуждений в конденсированных молекулярных системах (серия Современные проблемы науки о конденсированных средах) Гл. Редакторы Агранович В.М., Марадудин А.А. -М.: Наука 1987.

22. Андреев А.В., Емельянов В.И., Ильинский Ю.А. Кооперативные явления в оптике. -М.:Наука,1988.-288 с.

23. Голеншцев-Кутузов В.А.,Самарцев В.В. Хабибуллин Б.М. Импульсная оптическая и акустическая спектроскопия-М.:Наука,1988.-224 с.

24. Special issue on dynamic ratings and four-wave mixing. //. QE-22. № 8,(1986). Special issue on nonlinear optical conjugation. II QE-25.1989. № 3.

25. Световое эхо и проблемы когерентной оптики. //Межведомственный сборник научных статей, Куйбышев 1990. 164 с.

26. Евсеев И.В., Ермаченко В.М., СамарцевВ.В. Деполяризующие столкновения в нелинейной электродинамике. -М.: Наука, 1992. -230 с.

27. Труды V Международного симпозиума по фотонному эхо и когерентной спектроскопии //Изв АН. Сер. физич. 1994, т. 58. № 8 , с. 42-144.

28. Photon Echo and Coherent Spectroscopy'97 // Proceedings of SPIE Vol. 3239, Vitaly V.Samartsev, Editor, 1997. 492 p.

29. Ахмедиев H.H., Самарцев B.B. Долгоживущее оптическое эхо и оптическая память в кн.: Новые физические принципы оптической обработки информации: Сборник статей под ред. Ахманова С.А. и Воронцова М.А.-М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит.1990, сс.326-359.

30. Ultrafast Processes in Chemistry and Photobiology. A Chemistry for the 21st Century Monograph. Edited by M.A.El-Sayed, I.Tanaka, Y.Molin. Blackwell Science. 1995.

31. Ernst R.R., Bodenhausen G. and Wokaun A.: Principles of nuclear magnetic resonance in one and two dimensions. Clarendon Press Oxford, 1987.

32. Gardner C.S. Greene J.M.,Kruskal M.D.JMiura R.M. Method for solving the Korteweg-de Vries equation //Phys.Rev.Lett. 1967. V.19. P. 1095-1098.

33. Захаров B.E., Манаков C.B., Новиков С.П., Питаевский Л.П. Теория солитонов. М.Наука 1983.

34. Уо Дж. Новые методы ЯМР в твердых телах.-М.:Мир,1978.-110 р.

35. Skrebnev V.A. Dipole magic echo in termodynamical systems // J.Phys.: Condens. Matter 2: 1989, p.2037-2045.

36. Ахманов С.А., Хохлов P.B. Проблемы нелинейной оптики, ВИНИТИ. 1964.

37. Solitons. Edited by Bullough R.K.and Caurdrey P.J. Springer-Verlag Berlin-New York 1980./ Солитоны, русский перевод под редакцией Новикова С.П. -М.:Мир, 1983, 408 с.

38. Рупасов В.И. К теории сверхизлучение Дике. Точное решение квазиодномерной квантовой модели // ЖЭТФ 1982,т.83, № 5, сс.1711-1720.

39. Башаров A.M. Метод унитарного преобразования в нелинейной оптике. МИФИД990,108 с.

40. Лютер А. Квантовые солитоны в статистической физике //в Солитоны, русский перевод под редакцией С.П.Новикова -М.:Мир 1983, сс.380-399.41